JPWO2009022404A1 - 無線タグ及び無線タグの製造方法 - Google Patents

無線タグ及び無線タグの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、無線タグ及び無線タグの製造方法に関し、利得低下を抑制しつつ、搭載されるチップとの整合調整が容易な無線タグを実現することを目的の一つとする。そのため、本発明の無線タグは、チップ接続部(3)に電気的に接続されたループ状のアンテナパターン(2)と、このアンテナパターン(2)の一部を導通する導通部材(4)と、をそなえる。

Description

本発明は、無線タグ及び無線タグの製造方法に関する。本発明は、例えば、金属に貼り付けることのできる金属対応の無線タグとして好適である。
無線通信システムの1つとして、RFID(Radio Frequency Identification)システムが知られている。このRFIDシステムは、一般に、無線タグ(RFIDタグとも呼ばれる)と、リーダライタ(RW)装置とを備え、RW装置から無線タグに対して無線通信により情報の読み書きが行なわれる。
無線タグには、無線タグ自体が内蔵する電源により動作するタイプ(アクティブタグと呼ばれる)のものと、RW装置からの受信電波を駆動電力として動作するタイプ(パッシブタグと呼ばれる)のものとが知られている。
パッシブタグを用いたRFIDシステムの場合、無線タグは、RW装置からの無線信号を駆動電力として、内蔵するICやLSI等の集積回路を動作させて、受信無線信号(制御信号)に応じた各種処理を行なう。無線タグからRW装置への送信は、前記受信無線信号の反射波を利用して行なう。即ち、この反射波にタグIDや前記各種処理の結果などの情報をのせて、RW装置への送信を行なう。
なお、RFIDシステムには様々な周波数帯が利用されているが、最近では、UHF帯(860MHz〜960MHz)が注目されている。UHF帯は、既存の13.56MHz帯や2.45GHz帯に比べて長距離通信が可能である。欧州では868MHz、米国では915MHz、日本では953MHz付近の周波数を使用する。UHF帯の無線タグ(以下、単に「タグ」ともいう)の通信距離は、タグ内に用いるICチップやLSI等の集積回路の性能にもよるが、およそ3〜5mである。また、RW装置の出力は1ワット(W)程度である。
従来の無線タグとして、例えば、後記特許文献1〜3に記載されたものがある。
特許文献1に記載の技術は、RFIDタグが電波吸収体に対し近接して使用される場合であっても通信距離の低下を抑制することができ、通信の信頼性を確保することを目的としている。そのため、特許文献1には、所定の誘電率を有する直方体状の誘電体部材と、この誘電体部材の表面にループ状にエッチング等により形成された送受信用のアンテナパターンと、このアンテナパターンにチップ搭載パッドを介して電気的に接続されたICチップと、を備えたRFIDタグが記載されている。
当該RFIDタグによれば、液体入りのビンや人体等の一定の導電率を有する物体に対して使用する際には、誘電体部材の周囲には、アンテナパターンによって微小ループアンテナが形成され、貼り付け対象内にも電流ループが形成されるから、更に大きな電流ループが形成され、ループアンテナの利得が向上して通信距離を伸ばすことができる。
特許文献2に記載の技術は、通信距離が長く印字も容易なRFIDタグを作ることを目的としている。そのため、特許文献2のRFIDタグは、第1部品と第2部品とが張り合わされて構成されるものであり、第1部品は、誘電体からなる板状の第1ベースと、その第1ベースの表裏面のうち第1面を覆う金属層とを有し、第2部品は、シート状の第2ベースと、その第2ベース上に設けられた、上記第1部品の金属層と電気的に接続されて通信アンテナを構成する金属パターンと、その金属パターンに接続された、その通信アンテナを介して無線通信を行う回路チップと、その第2ベースを上記第1ベースの表裏面のうち上記第1面に対する第2面に接着させるための粘着材層とを有し、上記第1部品の金属層と上記第2部品の金属パターンは導通部品によって電気的に接続される。
特許文献3に記載の技術は、金属材料を含む機器の内部に配設した場合でも、共振周波数やQ値の変化を抑制して良好な通信状態を確保することができるRFIDタグの提供を目的としている。そのため、特許文献3には、タグを、ループ状のアンテナパターンとICとを少なくとも備える略円板状の基板と、該基板と略等しい径の円板状の磁性シートとで構成し、かつ、この磁性シートの周囲の一部を1本の直線で切り欠くことによってインダクタンスを簡単に調整できるようにすることが記載されている。
これにより、機器内部に金属部材などが配置されている場合でも磁性シートでその影響を抑制することができ、また、金属材料によるアンテナのインダクタンスの減少と磁性シートによるインダクタンスの増加とが相殺されるように切り欠き部の幅を設定することにより、共振周波数やQ値の変化を補償し、良好な通信状態を確保することができる。
特開2006−53833号公報 特開2006−301690号公報 特開2006−331101号公報
UHF帯用の無線タグは、金属に貼り付けると、ICチップやLSI等の集積回路(以下、単にチップという)とのインピーダンス整合や利得が悪化し、通信困難となる場合がある。そこで、前記特許文献1〜3に記載された技術のように、無線タグのアンテナパターンをループ状にすることが種々試みられているが、ループ状のアンテナパターンを有する無線タグでは、チップのサセプタンス成分(インピーダンスの逆数であるアドミタンスの虚数部(通常、Bで表される))が大きい場合、インピーダンス整合の調整(以下、単に「整合調整」ともいう)が難しい。
即ち、無線タグに搭載されるチップの等価回路は、並列のキャパシタンス成分Ccpと、並列の抵抗成分Rcpとで表すことができるから、サセプタンス成分Bは主にキャパシタンス成分Ccpに依存して変化することになるが、当該キャパシタンス成分Ccpが大きくなりすぎると、これに整合するアンテナインピーダンスの設計、調整が困難になる。
例えば、アンテナインピーダンスの調整手法の一つとして、図13(比誘電率対Ccp特性)に示すように、アンテナパターンの形成された誘電体(基板)の比誘電率を変える(小さくする)ことでアンテナパターンの対応キャパシタンス成分Ccpを大きくすることができるが、誘電体の比誘電率を下げるのにも限界がある(最小値は空気の比誘電率=1)から、その限界を超える対応キャパシタンス成分Ccpが必要なチップ(図13中のES2)には対応困難となる。
また、ループ状のアンテナパターンのループ全長を変えることで整合調整することも可能ではあるが、ループ全長を短くすると、利得が低下してしまう。
本発明は、前記課題に鑑み創案されたもので、その目的の一つは、利得低下を抑制しつつ、チップとの整合調整が容易な無線タグを提供することにある。
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための最良の形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
前記目的を達成するために、本発明では、以下に示す無線タグ及び無線タグの製造方法を用いる。
(1)即ち、本発明の無線タグは、チップが接続されるチップ接続部と、前記チップ接続部に電気的に接続されたループ状のアンテナパターンと、前記アンテナパターンの一部を導通する導通部材と、をそなえる。
(2)ここで、前記導通部材は、前記チップ接続部を中心とした対称な位置にそれぞれ設けられていてもよい。
(3)また、前記アンテナパターンが誘電体部材の表層面に設けられるとともに、前記導通部材は、前記誘電体部材の内部を通じて前記誘電体部材の対向する各面における前記アンテナパターンどうしを導通するスルーホールにより構成されていてもよい。
(4)さらに、前記アンテナパターンが誘電体部材の表層面に設けられるとともに、前記導通部材は、前記誘電体部材の側面を通じて前記誘電体部材の対向する各面における前記アンテナパターンどうしを導通する側面導体により構成されていてもよい。
(5)また、前記スルーホールは、その径が大きいほど導体部分の面積が小さく設定されていてもよい。
(6)さらに、前記スルーホールの内壁の一部にのみ導体メッキが施されてもよい。
(7)また、本発明の無線タグの製造方法は、チップが接続されるチップ接続部に電気的に接続されたループ状のアンテナパターンを形成し、前記アンテナパターンの一部を導通する導通部材を形成する。
(8)ここで、複数の前記導通部材の間隔を変えることで前記チップとのインピーダンス整合を調整してもよい。
前記の本発明によれば、前記導通部材を設けることで、前記ループ状のアンテナパターンの物理的な全長を変えることなく、アンテナパターンのインピーダンスを変化させることができるので、利得低下を抑制しつつ、搭載されるチップとの整合調整が容易な無線タグを実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図である。 図1に示す無線タグのA−A断面図である。 図1及び図2に示す無線タグのシミュレーションモデルを示す模式的斜視図である。 図3に示すシミュレーションモデルのアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。 図3に示すシミュレーションモデルのアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。 ループアンテナのループ長を短くした無線タグのシミュレーションモデルを示す模式的斜視図である。 図6に示すシミュレーションモデルのアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。 図3に示す無線タグのビアを1本にした場合のシミュレーションモデルを示す模式的斜視図である。 図8に示すシミュレーションモデルのアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。 本発明の第2実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図である。 図10に示す無線タグの側面導体の位置を変えたときの対応キャパシタンス成分(Ccp)の変化を示すグラフである。 本発明の第3実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図である。 無線タグの基板(誘電体)の比誘電率を変えたときの対応キャパシタンス成分(Ccp)の変化を示すグラフである。
符号の説明
1 基板(誘電体)
2 導体パターン(アンテナパターン)
2a 第1のループパターン
2b 第2のループパターン
3 チップ接続部(給電点)
4 ビア(スルーホール)
5 集積回路(チップパッケージ)
6 外装樹脂
7 接着層
8 導体パターン(側面導体)
9 貫通孔(スルーホール)
91 金属メッキ(導体メッキ)
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
〔1〕第1実施形態
図1は本発明の第1実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図であり、図2はこの図1に示す無線タグのA−A断面図である。
これらの図1及び図2に示すように、本実施形態の無線タグは、基板(誘電体部材)1と、この基板1の長辺側の側面(一対の対向する側面)を除いた各面の表層面において連通して形成された導体パターン2、つまりは図2の断面図においてループ(方形)状であるアンテナパターン(以下、ループアンテナともいう)2と、ループアンテナ2の長辺をなす基板1の面の中心付近においてループアンテナ2と電気的に接続されたチップ接続部(給電点)3と、基板1の表裏面に形成されたループアンテナ2どうしを複数箇所(図1及び図2では2箇所)で導通する導通部材としてのビア(スルーホールともいう)4と、前記チップ接続部3に電気的に接続されたICチップやLSI等の集積回路(チップパッケージ)5と、基板1全体を覆う外装樹脂6と、外装樹脂6の金属等への取り付け(貼り付け)面に設けられた接着層7とをそなえる。なお、図1において、チップパッケージ5の図示は省略しており、外装樹脂6は部分的に省略して図示している。
基板1は、所定の誘電率を有する誘電体から構成され、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンエーテル(PPE)等の所望の樹脂により構成することができる。
アンテナパターン2は、銅や銀等の金属導体をエッチングやレジスト処理等することによって形成することができる。また、アンテナパターン2は、所望の利得を確保できるように、例えば図1に示すように、基板1の表面において給電点3から長手方向に向かうほど幅広となる対称なパターンを有することができる。
ビア4は、基板1を貫通する孔の内壁に導体メッキ等により導電層を形成することで構成することができ、図1及び図2に示す例では、給電点3を中心に対称な位置に設けられている。これにより、図2の断面図に示すように、導体パターン2の一部、即ち、基板1の対向する各面(表面と裏面)に形成された導体パターン2どうしがビア4により電気的に接続(導通)され、基板1の表層面(表裏面及び側面)に形成された導体パターン2を外周(長辺及び短辺)とする第1のループパターン2aと、基板1表層面(表裏面)に形成された導体パターン2の一部とビア4とを内周とする第2のループパターン2bとが構成されることになる。つまり、各ループパターン2a,2bによって、主として、2つの電流ループが生じることになる。
なお、ビア4は、必ずしも対称な位置に設ける必要はないが、対称な位置に設けた方が所要利得を確保しやすい。また、後述するように、設けるビア数は1本(箇所)でもよい。つまり、ループパターン2(2a)の一部を共有する第2のループパターン2bが構成されれば足りる。
上述のごとく構成された本例の無線タグでは、第1のループパターン2aのループ長を変えることなく、第2のループパターン2bが構成されることにより、利得低下を防止しつつ、スミスチャート上において、アンテナインピーダンスを反時計回りに回転(変化)させることができる。つまり、アンテナパターン2の対応キャパシタンス成分Ccpを大きくすることができる。また、ビア4間の距離を変える(小さくする)ことで、対応キャパシタンス成分Ccpを調整する(大きくする)ことができる。したがって、大きなサセプタンス成分をもつ集積回路5(以下、チップ5あるいはタグLSI5とも表記する)に対しても容易にインピーダンス整合をとることが可能となる。
一例として、図3に示すように、無線タグの外形寸法を長さ69mm×幅35mm×厚さ5mm、アンテナパターン2の厚み(導体厚)を11μm、その導電率を5×106S/mとしてアンテナパターン2をモデル化し、当該アンテナパターン2に対してビア4を設けた場合のアンテナインピーダンスの変化を図4のスミスチャートに示す。
この図4に示すスミスチャートにおいて、0で示す位置がビア4を設けない場合の950MHzでのアンテナインピーダンスを示し、1で示す位置がビア4を設けた場合のアンテナインピーダンスを示しており、アンテナインピーダンスが反時計回りに回転(変化)して、アンテナパターン2の対応キャパシタンス成分Ccpを大きくできることが分かる。したがって、図5に示すように、スミスチャート上で1で示す位置と複素共役の関係にある、キャパシタンス成分の大きいチップ5のインピーダンスとの整合をとることが可能となる。
また、下記の表1及び表2に示すように、無線タグを金属に貼り付けた場合及び自由空間上に存在する場合のいずれの場合についても、ビア4を設けたことによる利得及び通信距離の低下は少ないことが分かる。
Figure 2009022404
Figure 2009022404
なお、表2に示す通信距離(r)は、以下の(1)式及び(2)式により計算することができる。
Figure 2009022404
λ :波長
Pt:リーダライタ(RW)装置のパワー
Gt:アンテナ利得
q :整合係数
Pth :チップ5の最小動作パワー
Gr :タグアンテナ利得
Rc,Xc:チップ5の抵抗(リアクタンスZc=Rc+jXc)
Ra,Xa:アンテナパターンの抵抗(リアクタンスZa=Ra+jXa)
シミュレーションの計算条件は、次表3に示すとおりである。
Figure 2009022404
なお、前記表3において、Rcpはチップ5のインピーダンスZcの逆数であるアドミタンス(Yc=1/Zc=G+jB=(1/Rcp)+jωCcp)のコンダクタンス(G)成分相当、Ccpは集積回路5のアドミタンス(Yc)のサセプタンス(B)成分相当をそれぞれ表している。
また、図6に示すように、無線タグの長さを例えば69mmから42mmに短くしてアンテナパターン2のループ長を短くすることでも、図7に示すように、スミスチャート上でアンテナインピーダンスを反時計回りに変化させることが可能ではあるが、この場合、前記の表1及び表2に示すように、アンテナパターン2のループ長が短くなるため、利得が低下し通信距離が短くなってしまう。
なお、表1及び表2に示すように、ビア4を設けず、ループ長も調整しない場合に利得が最も高くなるが、チップ5のキャパシタンス成分Ccpが大きい場合に整合がとれないために、通信距離は短くなる。
したがって、本例のようにビア4を設けた方が、総合的なパフォーマンスは高いということができる。
(ビア4が1本の場合)
前記ビア4の数は、例えば図8に示すように、1本でも良い。なお、図8に示すモデルはビア数を除いて図3に示したモデルと同じである。このように、ビア数を1本にした場合でも、本願発明者は、図9に示すように、スミスチャート上でアンテナインピーダンスを反時計回りに回転可能であり、また、利得についても、ビア4を前記のように2本設ける場合と遜色ないことをシミュレーションによって確認している。
もっとも、前記回転の量(角度)についてはビア4を2本設けた方が大きい。つまり、ビア数を変えることで、アンテナインピーダンスのキャパシタンス成分Ccpの可変量を調整することができる。したがって、より大きな対応キャパシタンス成分Ccpについてはビア数を増やすことで対応できるといえる。
〔2〕第2実施形態
図10は本発明の第2実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図で、この図10に示す無線タグは、前記のビア4を設ける代わりに、基板1の給電点3が存在する面(表面)のアンテナパターン2の一部(給電点3を中心とした対称な位置2箇所)から基板1の幅方向に延在し基板1の長辺側の側面を通じて前記表面に対向する面(裏面)のアンテナパターン2と連通する導体パターン(側面導体)8が設けられている。
つまり、本例では、側面導体8によって、基板1の側面を通じて基板1の表裏面に設けられたアンテナパターン2どうしが導通されることになり、当該側面導体8が、前記導通部材としてのビア4と同等の役割を果たすことになる。このような構成は、基板1にビア4を設けることが困難な場合に有効である。なお、図10において、S2は側面導体8の間隔を示している。ただし、側面導体8は、本例においても、必ずしも給電点3を中心に対称な位置になくてもよいし、基板1の同じ側面に1箇所だけ設けることもできる。
これにより、当該無線タグでは、基板1の表裏面に形成された導体パターン2を外周(長辺及び短辺)とする第1のループパターンと、基板1の表裏面に形成された導体パターン2の一部と側面導体8とを内周とする第2のループパターンとが構成されることになる。
したがって、利得低下を抑制しつつ、スミスチャート上において、アンテナインピーダンスを反時計回りに回転(変化)させてアンテナパターン2の対応キャパシタンス成分Ccpを大きくすることができる。
また、側面導体8間の距離S2を変える(小さくする)ことで、対応キャパシタンス成分Ccpを調整する(大きくする)ことができる。したがって、大きなサセプタンス成分をもつチップ5に対しても容易にインピーダンス整合をとることが可能となる。
一例として、基板1の寸法を長さ70mm×幅44mm×厚さ3.14mm、基板1の比誘電率εrを6.05、誘電損失角tanδを0.003、アンテナパターン2の幅Wを25mm、当該アンテナパターン2から側面導体8に延在する導体部分の幅を5mmとして、側面導体8の間隔S2を変えたときの対応キャパシタンス成分Ccpの変化を図11に示す。
この図11に示すように、使用周波数が915MHz、953MHzのいずれの場合についても、側面導体8の間隔S2を小さくすることで、対応キャパシタンス成分Ccpを大きくすることができる。
〔3〕第3実施形態
図12は本発明の第3実施形態に係る無線タグの構成を示す模式的斜視図で、この図12に示す無線タグは、前記のビア4に代えて、孔の面積が前記ビア4よりも大きな四角柱状の貫通孔(スルーホール)9が設けられるとともに、この貫通孔9の側壁(内壁)の少なくともいずれかに、基板1の表裏に形成されたアンテナパターン2と導通する金属メッキ(導体メッキ)91が施されている。
つまり、本例では、貫通孔9の側壁に施された金属メッキ91により、基板1の表裏面に形成されたアンテナパターン2どうしが導通され、当該金属メッキ91が既述の導通部材としてのビア4と同等の役割を果たすことになる。なお、貫通孔9(金属メッキ91)は、本例においても、必ずしも給電点3を中心に対称な位置になくてもよいし、1箇所だけ設けることもできる。また、貫通孔9の形状は、四角柱状に限られず、三角柱や円柱状でもよい。
また、金属メッキ91は、図10においては、貫通孔9の4つの側壁のうち、給電点3から最も離れた位置の側壁の全面に施されているが、他の側壁に施されていてもよい。また、側壁の一部にのみ金属メッキ91を施すこともできる。
例えば、貫通孔9の面積(径)が大きく側壁(内壁)の面積が大きい場合にその全面に金属メッキ91を施すと、アンテナパターン2における電流分布に乱れが生じやすくなり利得が低下する傾向にあるため、側壁の面の一部にのみ金属メッキ91を施す方が望ましい場合がある。例えば、側壁の面にライン状の金属メッキ91を施すことができる。つまり、貫通孔9は、その径が大きいほど導体部分の面積を小さく設定するのが好ましいといえる。
これにより、当該無線タグでは、基板1の表面に形成された導体パターン2をそれぞれ長辺(対向する2辺)及び短辺(残りの対向する2辺)とする第1のループパターンと、基板1表面に形成された導体パターン2の一部を長辺とし、貫通孔9側壁に施された金属メッキ91を短辺とする第2のループパターンとが構成されることになる。
上述のごとく構成された本例の無線タグにおいても、第1のループパターンのループ長を変えることなく、第2のループパターンが構成されることにより、利得低下を防止しつつ、スミスチャート上において、アンテナインピーダンスを反時計回りに回転(変化)させることができる。つまり、アンテナパターン2の対応キャパシタンス成分Ccpを大きくすることができる。
また、貫通孔9間(金属メッキ91間)の距離を変える(小さくする)ことで、対応キャパシタンス成分Ccpを調整する(大きくする)ことができる。したがって、大きなサセプタンス成分をもつチップ5に対しても容易にインピーダンス整合をとることが可能となる。なお、金属メッキ91間の距離は、貫通孔9を設ける位置を変えることのみならず、貫通孔9を設ける位置は変えずに金属メッキ91を施す位置を変えることによっても変えることができる。
〔4〕その他
前記の実施形態では、基板1に設けるビア4やアンテナパターン2と連通する側面導体8、貫通孔9等の導通部材の数や間隔を変えることで、アンテナインピーダンス(主に対応キャパシタンス成分Ccp)を調整することを基本としたが、他の調整方法を併用してもよい。例えば、付加的に、アンテナパターン2の幅を変えたり、チップ5の基板1上での搭載位置を変えたり、基板1の誘電率を変えたりすることもできる。
以上詳述したように、本発明によれば、利得低下を抑制しつつ、搭載されるチップとの整合調整が容易な無線タグを実現することができるので、無線通信技術分野や、物品の生産、在庫、流通管理、POSシステム、セキュリティシステムなどの技術分野に極めて有用と考えられる。

Claims (8)

  1. チップが接続されるチップ接続部と、
    前記チップ接続部に電気的に接続されたループ状のアンテナパターンと、
    前記アンテナパターンの一部を導通する導通部材と、
    をそなえたことを特徴とする、無線タグ。
  2. 前記導通部材は、前記チップ接続部を中心とした対称な位置にそれぞれ設けられたことを特徴とする、請求項1記載の無線タグ。
  3. 前記アンテナパターンが誘電体部材の表層面に設けられるとともに、
    前記導通部材は、前記誘電体部材の内部を通じて前記誘電体部材の対向する各面における前記アンテナパターンどうしを導通するスルーホールにより構成されたことを特徴とする、請求項1記載の無線タグ。
  4. 前記アンテナパターンが誘電体部材の表層面に設けられるとともに、
    前記導通部材は、前記誘電体部材の側面を通じて前記誘電体部材の対向する各面における前記アンテナパターンどうしを導通する側面導体により構成されたことを特徴とする、請求項1記載の無線タグ。
  5. 前記スルーホールは、その径が大きいほど導体部分の面積が小さく設定されていることを特徴とする、請求項3記載の無線タグ。
  6. 前記スルーホールの内壁の一部にのみ導体メッキが施されたことを特徴とする、請求項5記載の無線タグ。
  7. チップが接続されるチップ接続部に電気的に接続されたループ状のアンテナパターンを形成し、
    前記アンテナパターンの一部を導通する導通部材を形成する、
    ことを特徴とする、無線タグの製造方法。
  8. 複数の前記導通部材の間隔を変えることで前記チップとのインピーダンス整合が調整されることを特徴とする、請求項7記載の無線タグの製造方法。
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